考慮蓄電池記憶效應(yīng)的風(fēng)光儲(chǔ)混合系統(tǒng)控制策略研究

殷志敏，章旭泳，俞 強(qiáng)，繆 正，劉平平

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司湖州供電公司，浙江 湖州 313000）

0 引言

隨著可再生能源發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展和石油價(jià)格的上漲，在偏遠(yuǎn)地區(qū)的發(fā)電系統(tǒng)中，可再生能源發(fā)電成為研究熱點(diǎn)[1-3]。在對(duì)風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源的研究中，有關(guān)可再生能源的效率、平抑風(fēng)電出力波動(dòng)、提高出力預(yù)報(bào)精度及混合出力形式的改善，已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)[4-6]。

但可再生能源發(fā)電也有其固有的不足之處，最重要的就是出力的不確定性和不可預(yù)測(cè)性[7-9]?；旌峡稍偕茉窗l(fā)電系統(tǒng)中多種資源的互補(bǔ)特性以及合適的控制策略在一定程度上能夠產(chǎn)生良好的出力特性[9-12]。同時(shí)利用儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)平抑出力波動(dòng)和補(bǔ)償出力預(yù)報(bào)誤差能夠有效改善可再生能源出力的隨機(jī)性和間歇波動(dòng)性等問(wèn)題[13-15]。

以下利用風(fēng)電和光電的短期線性預(yù)測(cè)手段，提出了考慮記憶效應(yīng)的蓄電池儲(chǔ)能充放電控制策略，建立了風(fēng)光儲(chǔ)混合系統(tǒng)各子系統(tǒng)模型，采用PSO（粒子群優(yōu)化）算法，對(duì)某實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)和光伏電站進(jìn)行了算例分析。優(yōu)化仿真結(jié)果表明：該控制策略能大大提高風(fēng)光儲(chǔ)混合系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，具有較好的實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值。

1 風(fēng)光儲(chǔ)混合系統(tǒng)子系統(tǒng)模型的構(gòu)建

圖1是風(fēng)光儲(chǔ)混合系統(tǒng)的示意圖。該系統(tǒng)以孤島模式運(yùn)行，系統(tǒng)中包含風(fēng)力發(fā)電機(jī)（以下簡(jiǎn)稱風(fēng)機(jī)）、太陽(yáng)能光伏陣列和蓄電池。風(fēng)能和太陽(yáng)能是主要電源，蓄電池是備用儲(chǔ)能系統(tǒng)。

圖1 風(fēng)光儲(chǔ)混合系統(tǒng)示意

1.1 風(fēng)機(jī)輸出特性模型

風(fēng)機(jī)機(jī)械功率輸出的空氣動(dòng)力系統(tǒng)理想模型方程為：

式中：ρ為空氣密度；R為風(fēng)機(jī)葉片半徑；v為葉尖來(lái)風(fēng)速度；Cp為風(fēng)機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)。

風(fēng)速是風(fēng)電功率輸出特性的主要影響因素，一般采用4分量模型進(jìn)行風(fēng)速模型的描述。風(fēng)速4分量包括：基本風(fēng)分量VA、陣風(fēng)分量VB、漸變風(fēng)分量VC和隨機(jī)風(fēng)分量VD。

（1）基本風(fēng)分量：通過(guò)風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)獲得的Weibull分布參數(shù)近似確定，根據(jù)Weibull分布的數(shù)學(xué)期望值可得公式（2）。

（2）陣風(fēng)分量：表示短時(shí)間內(nèi)風(fēng)速突然變化的特性。

式中： Vs=（maxG/2）{1-cos[2π（t/TG）-（T1G/TG）]}；T1G，TG，maxG分別表示陣風(fēng)起動(dòng)時(shí)間、陣風(fēng)變化周期和最大值。

（3）漸變風(fēng)分量：描述風(fēng)速的漸變特性。

式中： Vγ=maxR[1-（t+T2R）/（T1R-T2R）]； maxR， T1R，T2R，TR分別表示漸變風(fēng)幅值、初始時(shí)間、終止時(shí)間和保持時(shí)間。

（4）隨機(jī)風(fēng)分量：隨機(jī)風(fēng)分量一般采用隨機(jī)噪聲風(fēng)來(lái)描述。

φi為0～2π均勻分布的隨機(jī)變量；F為擾動(dòng)范圍；KN為地表粗糙系數(shù)；μ為相對(duì)高度的平均風(fēng)速；N為頻譜取樣點(diǎn)數(shù)；ωi為各個(gè)頻率段的頻率。

圖2為4種風(fēng)速特性典型曲線，根據(jù)上述4種風(fēng)速成分的組合可以模擬自然風(fēng)的風(fēng)速，因此實(shí)際作用在風(fēng)機(jī)上的風(fēng)速可以用式（6）表示[31]。

圖2 4種風(fēng)速特性典型曲線

1.2 光伏輸出功率模型

可以在電流源上并聯(lián)一個(gè)二極管D作為光伏電池模型，如圖3所示。

式中：Iph是常量；Voc是光伏電池單元的電壓；Io是飽和電流；m是理想的因子；k是Bultsman常數(shù)；Tc是光伏單元的溫度；ID為流經(jīng)二極管的電流。

圖3光伏單元等效模型

1.3 蓄電池模型

一般蓄電池電氣模型等價(jià)于1個(gè)電壓源E串聯(lián)1個(gè)電阻Ro，如圖4所示。

蓄電池的端電壓為：

圖4 蓄電池等效模型

圖5所示的蓄電池模型中包含2個(gè)量，一個(gè)是寬度c，對(duì)應(yīng)最小可用電量q1；另一個(gè)是寬度（1-c），對(duì)應(yīng)限制的最大充電量q2。

蓄電池的電量模型可表示如下：

圖5 蓄電池出力原理

1.4 考慮蓄電池記憶效應(yīng)的兩象限斬波器模型

在構(gòu)建的混合系統(tǒng)中，采用含兩象限斬波器的蓄電池充放電電路，如圖6所示。

圖6 兩象限斬波器的蓄電池充放電電路

斬波器用于風(fēng)機(jī)與光伏能量管理系統(tǒng)中，當(dāng)風(fēng)光混合系統(tǒng)輸出功率高于負(fù)荷時(shí)蓄電池充電，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷缺電時(shí)通過(guò)控制蓄電池放電。

考慮到蓄電池記憶效會(huì)產(chǎn)生過(guò)充和過(guò)放現(xiàn)象，將斬波器電感值提高到原來(lái)的2倍，并采用快速充放電控制策略，可以有效避免蓄電池記憶效應(yīng)。

2 算例分析

以新疆電力調(diào)度中心EMS（能量管理系統(tǒng)）獲取的新疆吐魯番某風(fēng)電場(chǎng)（148.5 MW）2017年風(fēng)電全年出力數(shù)據(jù)和哈密某光伏電站（54.5 MW）出力數(shù)據(jù)為樣本，采樣時(shí)間間隔均為1 min，累計(jì)有效總數(shù)據(jù)為572 566個(gè)，以蓄電池作為儲(chǔ)能設(shè)備，對(duì)文中所述風(fēng)光儲(chǔ)控制策略的正確性和可行性進(jìn)行計(jì)算分析。

圖7為采樣間隔為10 min時(shí)該風(fēng)電場(chǎng)全年出力數(shù)據(jù)。圖8為該風(fēng)電場(chǎng)全年典型平均風(fēng)速。圖9為該光伏電站在不同溫度和不同光照強(qiáng)度下的I-V曲線。

圖7 風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際出力

圖8 風(fēng)電場(chǎng)典型年平均風(fēng)速

圖10為加裝儲(chǔ)能前后風(fēng)光功率波動(dòng)情況，采樣間隔為1 min，實(shí)線為未加裝儲(chǔ)能前的風(fēng)光功率，虛線為加裝儲(chǔ)能后風(fēng)光儲(chǔ)合成出力?？梢悦黠@看出，接入儲(chǔ)能裝置后的風(fēng)光儲(chǔ)功率曲線變得平滑，波動(dòng)明顯減小。

圖11采用文中所提控制策略，為避免蓄電池的記憶效應(yīng)，將蓄電池SOC（荷電狀態(tài)）限制在15%~85%之間，能有效防止蓄電池產(chǎn)生過(guò)充和過(guò)放現(xiàn)象。

圖9 光伏電站不同溫度T和光照強(qiáng)度S下的光伏I-V曲線

圖10 加裝儲(chǔ)能前后的風(fēng)光功率波動(dòng)情況

圖11 考慮蓄電池記憶效應(yīng)后24 h的SOC變化

采用PSO算法，對(duì)風(fēng)光系統(tǒng)和風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)2種模式進(jìn)行了成本計(jì)算。其中，風(fēng)光系統(tǒng)成本為風(fēng)光固定投資成本，風(fēng)光儲(chǔ)總系統(tǒng)為風(fēng)光儲(chǔ)固定成本減去儲(chǔ)能補(bǔ)償?shù)娘L(fēng)光棄風(fēng)成本。從圖12可以看出風(fēng)光儲(chǔ)混合系統(tǒng)的總成本要明顯低于單一模式下的風(fēng)光系統(tǒng)總成本。在同一負(fù)荷下，由于蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電能有效彌補(bǔ)風(fēng)光系統(tǒng)與負(fù)荷之間的能量差值，節(jié)約由此而產(chǎn)生的費(fèi)用，從而提高了經(jīng)濟(jì)性。

3 結(jié)語(yǔ)

圖12 風(fēng)光儲(chǔ)混合系統(tǒng)與單一風(fēng)光系統(tǒng)成本對(duì)比

建立了風(fēng)光儲(chǔ)混合系統(tǒng)子系統(tǒng)模型，提出考慮記憶效應(yīng)的蓄電池系統(tǒng)控制策略，利用風(fēng)光的短期線性預(yù)測(cè)手段，采用PSO算法，對(duì)新疆某含儲(chǔ)能的實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)和光伏電站進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，并對(duì)風(fēng)光儲(chǔ)混合系統(tǒng)與單一模式下的風(fēng)光系統(tǒng)總成本進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明：考慮記憶效應(yīng)的蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略能夠提高風(fēng)光儲(chǔ)混合系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，具有較好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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